Dây thẳng có \(\ell=0{,}40\,\mathrm m\), \(I=2{,}0\,\mathrm A\), \(B=0{,}15\,\mathrm T\), chiều dòng điện vuông góc \(\vec B\). Tính lực từ.
Giải: \(\alpha=90^\circ\); \(F=0{,}15\cdot2\cdot0{,}40\cdot1=0{,}12\,\mathrm N\).
HAT PHYSICS LEARNING · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC
BÀI 15 · LỰC TỪ VÀ CẢM ỨNG TỪ
Chương III · Trang 61–65 · Lực từ trên dây dẫn · Đo độ lớn cảm ứng từ
01 · MỤC TIÊU
Từ thí nghiệm đến phương, chiều và độ lớn của lực từ
Khảo sát lực từ
Quan sát đoạn dây mang dòng điện chuyển động trong từ trường; giải thích việc đảo chiều dòng điện hoặc đổi chiều cảm ứng từ làm đảo chiều lực.
Xác định hướng lực từ
Nhận biết \(\vec F\perp\vec I\) và \(\vec F\perp\vec B\); vận dụng quy tắc bàn tay trái, ký hiệu ⊙ (ra) và ⊗ (vào).
Tính độ lớn và đơn vị
Áp dụng \(F=BI\ell\sin\alpha\), xác định \(B\) và đơn vị tesla. Phân biệt chiều dài hữu hiệu \(\ell\) với tổng chiều dài dây của cả mạch.
Thực hành đo B
Thu thập bảng \(F-I\), đọc đồ thị, suy ra \(B=F/(nI\ell)\) với khung nhiều vòng có các cạnh hữu hiệu; báo cáo sai số và hạn chế mô hình.
Khởi động: Một thanh dẫn đặt trong khe giữa hai cực của nam châm chữ U. Khi cấp dòng điện, thanh bị đẩy lệch; đảo chiều dòng điện, thanh lệch ngược lại. Vì sao lực đổi chiều trong khi độ lớn dòng điện không đổi?
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Lực từ – Cảm ứng từ – Thực hành đo
I. Lực từ tác dụng lên đoạn dây mang dòng điện
Xét một đoạn dây thẳng hữu hiệu dài \(\ell\) có dòng điện không đổi \(I\), đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ \(\vec B\). Đoạn dây chịu lực từ \(\vec F\); phương lực vuông góc với phương dây dẫn và với \(\vec B\) khi lực khác không. Với dòng điện quy ước theo chiều từ cổ tay đến đầu ngón tay, quy tắc bàn tay trái xác định chiều lực.
Độ lớn lực từ
\[\boxed{F=BI\ell\sin\alpha}\]
\(\alpha\in[0^\circ,180^\circ]\) là góc giữa chiều dòng điện và \(\vec B\). Đơn vị: \(F\) (N), \(B\) (T), \(I\) (A), \(\ell\) (m). Hệ thức dùng cho đoạn dây thẳng trong miền từ trường đều.
Quy tắc bàn tay trái
Đặt bàn tay trái sao cho \(\vec B\) hướng vào lòng bàn tay; bốn ngón duỗi theo chiều dòng điện quy ước; ngón cái choãi vuông góc chỉ chiều \(\vec F\). Về toán học: \(\vec F=I\,\vec\ell\times\vec B\).
Trường hợp đặc biệt
\[F_{\max}=BI\ell\quad (\alpha=90^\circ);\qquad F=0\quad (\alpha=0^\circ,180^\circ)\]
Đổi chiều \(I\) hoặc riêng \(\vec B\) thì \(\vec F\) đổi chiều. Đổi đồng thời cả hai thì chiều lực giữ nguyên. Dây song song đường sức từ: lực bằng 0 nên không xác định được chiều lực.
Định nghĩa độ lớn cảm ứng từ
\[\boxed{B=\frac{F}{I\ell\sin\alpha}}\quad(\sin\alpha\ne0)\]
Trong thí nghiệm vuông góc: \(B=F/(I\ell)\). 1 tesla: \(1\,\mathrm T=1\,\mathrm{N/(A\cdot m)}=1\,\mathrm{kg/(A\cdot s^2)}\).
Khung dây nhiều vòng
\[F=nBI\ell\quad\Longrightarrow\quad B=\frac{F}{nI\ell}=\frac{F}{IL},\qquad L=n\ell\]
Chỉ dùng khi mỗi vòng có một cạnh dài \(\ell\) nằm trong miền trường đều, vuông góc \(\vec B\), và các lực trên cạnh hữu hiệu cùng chiều; các cạnh còn lại không đóng góp theo hướng đang đo hoặc được triệt tiêu. Không nhân \(n\) một lần nữa nếu đã dùng \(L=n\ell\).
Đồ thị đo cảm ứng từ
\[F=kI,\qquad k=BL,\qquad B=\frac{k}{L}\]
Giữ nguyên từ trường, chiều dài hữu hiệu và góc 90°, đồ thị \(F-I\) là đường thẳng qua gốc theo mô hình lý tưởng. Lấy hệ số góc từ nhiều điểm để giảm ảnh hưởng sai số ngẫu nhiên.
Đổi đơn vị đúng chuẩn
\[1\,\mathrm{mT}=10^{-3}\,\mathrm T;\quad1\,\mathrm{cm}=10^{-2}\,\mathrm m;\quad1\,\mathrm{mN}=10^{-3}\,\mathrm N\]
Đặc biệt kiểm tra đã đổi mA→A và cm→m, đồng thời phân biệt lực tác dụng lên một đoạn dây và toàn bộ khung dây.
Giới hạn và sai số thực nghiệm
Trường chưa đều, dây đặt lệch 90°, lực kế chưa hiệu chuẩn, dao động cơ học, thay đổi nhiệt độ và từ trường của nam châm điện đều gây sai số. Số liệu mô phỏng khác số liệu thực đo; không suy B từ trường hợp \(F=0\) khi dây song song \(\vec B\).
II. Bảng đại lượng, công thức và điều kiện
| Đại lượng | Ký hiệu và SI | Điều kiện áp dụng |
|---|---|---|
| Lực từ | \(F\), N | Dây có dòng điện trong từ trường đều |
| Cảm ứng từ | \(B\), T | Vectơ \(\vec B\) chỉ hướng và độ mạnh từ trường |
| Cường độ dòng điện | \(I\), A | Dòng điện quy ước (không theo chiều electron) |
| Chiều dài hữu hiệu | \(\ell\), m | Chỉ đoạn dây chịu lực trong miền từ trường |
| Góc giữa dòng điện và B | \(\alpha\), độ | \(0^\circ\le\alpha\le180^\circ\) |
| Số cạnh hữu hiệu như nhau | \(n\), không đơn vị | Chỉ khi các lực cộng cùng chiều |
III. Ví dụ có lời giải chi tiết
Giữ các thông số Ví dụ 1 nhưng góc giữa chiều dòng điện và \(\vec B\) là \(30^\circ\).
Giải: \(F=0{,}15\cdot2\cdot0{,}40\sin30^\circ=0{,}060\,\mathrm N\). Lực giảm một nửa, không phải không đổi.
Đo được \(F=0{,}075\,\mathrm N\) trên đoạn dây \(\ell=0{,}50\,\mathrm m\), \(I=3{,}0\,\mathrm A\), \(\alpha=90^\circ\).
Giải: \(B=F/(I\ell)=0{,}075/(3\cdot0{,}50)=0{,}050\,\mathrm T=50\,\mathrm{mT}\).
\(B=8\,\mathrm{mT}\), \(I=1{,}5\,\mathrm A\), \(\ell=25\,\mathrm{cm}\), \(\alpha=90^\circ\).
Giải: \(B=0{,}008\,\mathrm T\), \(\ell=0{,}25\,\mathrm m\); \(F=0{,}008\cdot1{,}5\cdot0{,}25=0{,}003\,\mathrm N=3\,\mathrm{mN}\).
Dòng điện trong thanh dẫn theo chiều từ trái sang phải trên hình (trục +Ox); \(\vec B\) đi vào trang giấy (trục −Oz). Xác định chiều lực.
Giải: \(\vec\ell\times\vec B=(+\hat x)\times(-\hat z)=+\hat y\). Lực từ hướng lên trên hình vẽ.
Khung \(n=200\) vòng, một cạnh hữu hiệu mỗi vòng \(\ell=0{,}10\,\mathrm m\); \(B=0{,}012\,\mathrm T\), \(I=0{,}30\,\mathrm A\), các cạnh hữu hiệu vuông góc \(\vec B\).
Giải: \(L=n\ell=20\,\mathrm m\); \(F=BIL=0{,}012\cdot0{,}30\cdot20=0{,}072\,\mathrm N\).
Với khung 200 vòng, cạnh hữu hiệu 0,10 m/vòng, đồ thị \(F-I\) có hệ số góc \(k=0{,}24\,\mathrm{N/A}\).
Giải: \(L=20\,\mathrm m\), \(B=k/L=0{,}24/20=0{,}012\,\mathrm T\).
Đo khung có \(L=20\,\mathrm m\): \((I;F)=(0{,}10;0{,}02),(0{,}20;0{,}05),(0{,}30;0{,}07),(0{,}40;0{,}09)\), đơn vị A và N.
Giải: Từng lần \(B_i=F_i/(IL)\) lần lượt là 0,010; 0,0125; 0,01167; 0,01125 T. Giá trị trung bình \(\overline B\approx0{,}01135\,\mathrm T\). Số đo không hoàn toàn thẳng hàng: cần nêu độ lệch, không sửa dữ liệu để “đẹp”.
Kiểm chuẩn: Mũi tên dòng điện là chiều dòng điện quy ước. Trong mô phỏng, ↙/↗ không được tự suy ra nếu thiếu trục tọa độ; các trường hợp hướng lực đều nêu rõ I và B trong hệ \(Ox,Oy,Oz\). Hai chiều \(\vec B\) và \(I\) cùng phương thì \(F=0\), không dùng quy tắc tay trái để gán hướng lực.
03 · QUAN SÁT VÀ THÍ NGHIỆM
Ba hoạt động tương tác – Lực từ, chiều lực, đo cảm ứng từ
Thí nghiệm mô phỏng sử dụng mô hình từ trường đều và số liệu xác định; số đo tạo ra không thay thế số liệu thực nghiệm tại phòng học. Có thể nhập thông số, đo theo bước, lưu bảng và xuất CSV.
MÔ PHỎNG 01
Khảo sát độ lớn lực từ \(F=BI\ell\sin\alpha\)
Độ lớn lực từ0,080 N
So với lực cực đại100%
Lực cực đại0,080 N
Thay đổi một đại lượng và kiểm tra: F tăng tuyến tính theo B, I, ℓ khi góc cố định; đồ thị F–α có dạng sin trên khoảng 0°–180°.
MÔ PHỎNG 02
Chiều lực từ – Quy tắc bàn tay trái
Dòng điện+Ox
Cảm ứng từ−Oz
Chiều lực từ+Oy – Lên
Trong hình: ⊗ là vectơ đi vào mặt giấy; ⊙ là vectơ đi ra. Lực tính theo \(\vec F=I\vec\ell\times\vec B\). Khi I song song B, lực bằng 0 nên không có mũi tên lực.
THỰC HÀNH 03
Thực hành đo B bằng khung dây và lực kế – Bảng F–I
| Lần | I (A) | F (N) | L=nℓ (m) | B=F/(IL) (T) |
|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi số liệu | ||||
Nhập thông số và ghi vài điểm. Khi nạp bảng SGK, chú ý số liệu làm tròn có sai lệch.
Phương án xử lí số liệu
Ở \(\alpha=90^\circ\), tính \(B_i=F_i/(nI_i\ell)\); lấy trung bình và so sánh kết quả suy từ độ dốc của đường \(F=kI\) qua gốc: \(B=k/(n\ell)\). Số liệu mô phỏng sử dụng giá trị tính toán không nhiễu; số liệu SGK đã được làm tròn nên hai cách có thể không trùng hoàn toàn.
04 · LUYỆN TẬP VÀ KIỂM TRA
36 bài tự luyện với lời giải – 22 câu kiểm tra chuẩn V4
36Tự luyện
6Chủ đề
22Câu kiểm tra
10Điểm
Câu hỏi phân hóa từ định hướng vectơ đến tính lực từ, đo cảm ứng từ và bài tổng hợp. Các bài tính toán ghi rõ dữ kiện, đơn vị đáp số, góc và chiều dài hữu hiệu; chấp nhận dấu phẩy hoặc dấu chấm thập phân. Lời giải tự luyện có thể mở riêng; đáp án bài kiểm tra chỉ hiển thị sau khi nộp.
Phần A · 36 bài tự luyện (có lưu tiến độ)
0/36
Trang 1/6
Phần B · Kiểm tra V4 (22 câu / 10 điểm)
8 ABCD (2 điểm) · 4 Đúng/Sai, mỗi câu bốn ý (4 điểm) · 8 trả lời ngắn (2 điểm) · 2 tự luận (2 điểm). Với trả lời ngắn, đơn vị đã có trong câu hỏi và không nhập lại đơn vị vào đáp án.
05 · BẢN ĐỒ TƯ DUY
Hệ thống hóa sáu điểm trọng tâm
06 · EM CÓ BIẾT?
Từ mô hình lực từ đến thiết bị và đo lường
Động cơ điện
Các đoạn dây mang dòng điện nằm trong từ trường chịu lực, tạo ngẫu lực lên khung. Một động cơ thực còn cần cơ cấu hoặc điều khiển giúp duy trì mômen quay theo hướng mong muốn.
Loa điện động
Cuộn dây đặt trong từ trường nam châm chịu lực theo dòng điện âm tần, kéo màng loa dao động tạo sóng âm. Hướng lực đảo khi chiều dòng điện qua cuộn dây đảo.
Đơn vị tesla lớn hay nhỏ?
Trong kỹ thuật, trường có thể được ghi bằng mT hoặc µT. B là một đại lượng vectơ; độ lớn không đủ để xác định chiều lực nếu chưa biết hướng I.
Tàu đệm từ
Các hệ thống từ trường điều khiển có thể tạo lực nâng, dẫn hướng và lực đẩy. Đây là ứng dụng phức tạp, không đồng nhất với một thanh dây đơn lẻ trong từ trường đều.
Thực hành an toàn: Sử dụng bộ dụng cụ phòng thí nghiệm đúng hướng dẫn, nguồn điện áp thấp và giới hạn dòng phù hợp. Không để dây dẫn quá nhiệt hoặc nam châm mạnh gần thiết bị nhạy từ. Khi đo B, giữ nguyên hình học khung và lặp lại phép đo để nhận xét sai số.